钢管混凝土是将混凝土填入钢管中形成的一种新型组合结构,它充分发挥了钢管与混凝土的优点,最大限度地弥补了各自的不足,形成了一种最优组合,使得钢管混凝土具有承载能力高、抗火和防火性能好、延性好、抗震性能优越等优点 ^[1,2,3]。钢管混凝土结构由于具有以上优点,能够抵抗外界恶劣条件,目前已经在国内外各种建筑和桥梁工程中实现了广泛的应用 ^[1,2,3]。钢管混凝土系杆拱桥作为一种新型的桥型,近20年来在我国得到了迅速的推广与应用,但是钢管混凝土系杆拱桥作为一个内部高次超静定结构,温度变化必将会使结构产生附加内力和附加应力,从而改变结构受力,引起结构内力重分布 ^[4,5]。因此,开展关于钢管混凝土构件温度场分布影响的研究是进行钢管混凝土系杆拱桥温度研究的前提和基础。文献[6]为研究日照作用下钢管混凝土构件截面的温度场,进行了钢管混凝土构件日照作用下的温度场测试,并分析了日照作用下截面温度场的分布和变化规律。文献[7]基于钢管混凝构件表面的太阳辐射作用的计算问题,提出日照作用下钢管混凝土构件截面温度场的有限元计算方法。文献[8]分析了影响结构表面温度变化的各种环境因素并在有限元软件中建立了结构的三维实体有限元模型,通过建立虚拟太阳来施加动态的热辐射边界条件,求解了结构在一天中任一时刻的温度场。文献[9]利用有限元法和试验进行了钢管混凝土在高温作用下的温度场研究。文献[10]分别在日照和阴凉条件下对一个矩形钢管混凝土试件进行截面温度场连续的试验观测,并结合有限元方法,在实测温度数据基础上分析矩形钢管混凝土截面温度场的分布规律。文献[11]以某钢管混凝土系杆拱桥为例,基于有限元分析方法,建立三维有限元模型,分析了温度对钢管混凝土拱桥静力性能的影响。文献[12]基于有限元软件ABAQUS,建立水泥水化热阶段的钢管混凝土温度场分析模型,研究分析了截面尺寸、含钢率、环境温度等因素对水泥水化热阶段钢管混凝土截面温度场的影响。文献[13]研究了8根圆形截面钢管混凝土柱在火灾下核心混凝土水分汽化和迁移对钢管混凝土柱温度场分布的影响。以往的研究多侧重于日照下钢管混凝土试件温度场试验研究,缺乏关于无日照作用和日照作用对比下的钢管混凝土试件与素混凝土对照试件的温度场试验研究。因此,本文基于大直径圆钢管混凝土试件和素混凝土对照试件,分别在人工气候模拟试验箱和室外环境下进行了温度场试验,并对试验结果进行了分析,以了解其截面温度分布规律,以便于实际工程的应用。

　　 试验中设计了1个圆形截面钢管混凝土试件和1个素混凝土对照试件,对其分别在室外环境和人工气候模拟试验箱下进行了温变的温度场试验。试验中设计混凝土强度等级为C55,水胶比为0.35,以P.O42.5水泥制备,具体配合比见表1,钢管采用Q235无缝钢管。制备钢管混凝土试件,其直径×壁厚×高为630×11×1 000,内填C55混凝土; 素混凝土试件,其直径×高为608×1 000。钢管混凝土试件内部在高度400mm处和600mm处分别沿着半径正交方向在钢筋架上布设9个温度传感器,具体布设图如图1所示,高度500mm处钢管壁外侧沿着半径正交方向布设4个传感器。素混凝土试件仅在高度500mm处沿半径正交方向在钢筋架上布设9个温度传感器。温度传感器与温度巡检仪相连接,用温度巡检仪每6min记录一次数据。分别用室外环境和人工气候模拟试验箱进行温变试验,其中人工气候模拟试验箱(图2)温度范围为-20～80℃,最大升/降温速率≥1℃/min,温度变化可实现温度荷载编程,温度波动度≤0.5℃; 温度均匀度≤2℃。核心混凝土浇筑30d以上,水化热基本释放完毕, 此时钢管混凝土的温度场只与室外环境和人工气候模拟试验箱温度变化有关。

　　 人工气候模拟试验箱内的温变由于无日照作用,是一种均匀的温变,圆钢管截面的温度场只是一个与径向有关的一维温度场。为了研究钢管混凝土截面和素混凝土截面温度场随外界环境温度变化的规律,进行4组不同温变试验,试验结果如图3～6所示。图中T_R为人工气候模拟试验箱内实测温度,T_C1为素混凝土试件中心处温度,T_C2为素混凝土试件半径处4个测点的平均温度,T_C3为素混凝土试件表面处4个测点的平均温度,T_Z1为钢管混凝土试件中心处2个测点的平均温度,T_Z2为钢管混凝土试件半径处8个测点的平均温度,T_Z3为钢管混凝土试件内核心混凝土表面处8个测点的平均温度,T_Z4为钢管混凝土试件外表处4个测点的平均温度。

　　 图3中人工气候模拟试验箱中最高温度为17℃,最低温度为-2℃。由图3可以看出:环境温度在0～5h时上升,5h时达到最高温度17℃,期间钢管混凝土试件和素混凝土试件各截面温度均趋于上升状态,但T_Z4,T_Z3,T_C3上升速率大致相近且远大于其他测点温升速率。5～12h时环境温度下降,但T_Z4,T_Z3,T_C3在5～6h期间由于与环境温度存在6℃以上的温差仍然上升,6h以后逐渐出现缓慢降温趋势; T_Z1,T_Z2,T_C1,T_C2始终处于缓慢上升状态。12h时钢管混凝土试件截面各测点温度均大于素混凝土试件对应截面测点温度,钢管混凝土试件核心温度最高。试验期间钢管混凝土试件截面和素混凝土试件截面最大温差均达到了4℃,钢管壁内外最大温差为1℃。

　　 图4中人工气候模拟试验箱中最高温度为12℃,最低温度为3℃。由图4可以看出:环境温度在0～2h时上升,2h时达到最高温度12℃,2～12h期间环境温度维持在(11±1)℃范围内,钢管混凝土试件和素混凝土试件各截面温度均始终趋于上升状态,但T_Z4,T_Z3上升速率大致相近且远大于其他测点温升速率,10h时钢管壁温度已经接近环境温度,这主要是由于钢管的导热系数是混凝土导热系数18.5倍左右 ^[14],热传导快所致的。由于钢管混凝土中钢管壁导热率高,故钢管混凝土热传导快,使得钢管混凝土中T_Z1,T_Z2高于素混凝土中T_C1,T_C2。试验期间钢管混凝土试件截面最大温差达到了5℃,素混凝土试件截面最大温差达到了2℃,钢管壁内外最大温差为3℃。

　　 图5中人工气候模拟试验箱中最高温度为8.5℃,最低温度为-22℃。由图5可以看出:环境温度在0～1.5h时下降,所有测点温度均在下降,1.5～3h时温度上升,除T_Z4有上升,其余测点温度均缓慢下降,3～9h时温度下降,9h时温度达到最低值-20℃,期间T_Z4最为敏感,温度下降斜率与环境温度下降斜率大致相等,T_Z3和T_C3近似相等,T_Z2和T_C2近似相等,T_Z1略低于T_C1,但是截面温度场从外往内越靠近圆心,温度变化滞后现象越明显。9～12h环境温度上升,T_Z4上升,最终与环境温度一致,T_Z3和T_C3缓慢上升,且T_C3上升斜率大于T_Z3,其余测点温度均还在缓慢下降,进一步反映出核心混凝土温度场的滞后现象。试验期间钢管混凝土试件截面最大温差达到了10℃,素混凝土试件截面最大温差达到了7℃,钢管壁内外最大温差为4℃。

　　 图6中人工气候模拟试验箱中最高温度为25℃,最低温度为-15℃。由图6可以看出:环境温度在0～1h时下降,降幅达到30℃,1h时达到最低温度-15℃,期间试件各测点温度均趋于下降状态,截面温度场从外往内越靠近圆心, 温度下降滞后的现象越明显,但T_Z4,T_Z3,T_C3下降斜率大致相等。1～12h时环境温度上升,但在1～6h期间,T_Z4,T_C3变化斜率趋近于0,1～7h期间环境温度均低于试件各测点温度,故除T_Z4,T_C3外,试件其余测点温度均处于缓慢下降状态,7～12h环境温度高于试件各测点温度,但仅有T_Z4,T_Z3,T_C3趋于上升状态,其余测点温度变化斜率趋近于0。试验期间钢管混凝土试件截面和素混凝土试件截面最大温差均达到了7℃,钢管壁内外最大温差为4℃。

　　 室外环境下的温变由于存在日照作用,是一种非均匀的温变,圆钢管截面的温度场在截面上呈现出非线性分布,只能简化为一个二维平面问题来分析。为了研究钢管混凝土截面和素混凝土截面温度场随室外环境温度变化的规律,进行22d的室外温变试验,选择其中典型的1d来进行分析,试验结果如图7～10所示。图中T_H为室外环境实测温度,T_N1为正北方向混凝土表面处温度,T_N2为正北方向混凝土半径处温度,T_E1为正东方向混凝土表面处温度,T_E2为正东方向混凝土半径处温度,T_S1为正南方向混凝土表面处温度,T_S2为正南方向混凝土半径处温度,T_W1为正西方向混凝土表面处温度,T_W2为正西方向混凝土半径处温度,T_EN1为东北方向钢管混凝土中混凝土表面处温度,T_EN2为东北方向钢管混凝土半径处温度,T_ES1为东南方向钢管混凝土中混凝土表面处温度,T_ES2为东南方向混凝土半径处温度,T_WS1为西南方向钢管混凝土中混凝土表面处温度,T_WS2为西南方向钢管混凝土半径处温度,T_WN1为西北方向钢管混凝土中混凝土表面处温度,T_WN2为西北方向混凝土半径处温度,T_SC为钢管混凝土试件中心处温度,T_C为素混凝土试件中心处温度。室外环境最高温度为36℃,最低温度为19℃。

　　 由图7～9可知:室外环境中最低温度在清晨6∶30,钢管混凝土试件和素混凝土试件截面温度场经过夜晚无日照作用的均匀温变,内外温度呈现出的外高内低的趋势。随后,在日照作用下,气温逐渐升高,钢管混凝土和素混凝土试件外侧温度随着气温缓慢升高,内侧温度由于内外存在温差,仍然在降低,在上午11∶30,内外温度由外高内低逐渐趋于短暂的内外一致状态。之后,随着气温的上升,最高温度出现在下午17∶00,达到了36℃,钢管混凝土T_W1,T_WN1,T_WS1以及素混凝土试件T_W1由于太阳直接辐射作用,温度均高于环境温度,分别接近于40℃和38℃。试件外侧测点温度均达到了峰值,截面温度场已呈现非均匀分布,但背阴面温度低且比较接近,钢管混凝土试件和素混凝土试件截面测点温度最大差值分别达到了13℃和12℃。下午17∶00以后,气温逐渐降低,试件外部测点温度均随着气温降低,但内部测点温度仍在缓慢上升,试件中心处温度在晚上21∶00达到了峰值,滞后了4h。

　　 由图10可知:钢管混凝土试件和素混凝土试件截面中心处温度在中午12∶00之前的下降段基本接近,中午12∶00之后的上升段钢管混凝土试件由于太阳辐射传导热增多,下午17∶00之后钢管混凝土试件中心处的温度逐渐高于素混凝土试件中心处温度,但是最大温差仅有1℃,晚上21∶00温度达到峰值后两者温差逐渐减小。

　　 本文分别在人工气候模拟试验箱和室外环境下对一个大直径圆钢管混凝土试件和素混凝土对照试件进行了截面温度场的试验,通过大量实测温变下温度场分布数据,分析了大直径圆钢管混凝土截面温度场的分布规律,并且得到如下结论:

　　 (1)由人工气候模拟试验箱内温变试验可知:钢管混凝土试件和素混凝土对照试件截面温度变化均受到环境温度的影响, 试件截面温变曲线规律与环境温变曲线规律一致,但是截面温度场明显滞后于环境温度,钢管混凝土试件和素混凝土试件温度场的变化幅度小于环境温度的变化幅度,而且核心混凝土的温度变化更是明显滞后于环境温度的变化,截面温度场从外往内越靠近圆心, 滞后的现象越明显。

　　 (2)由室外环境温变试验可知:钢管混凝土试件和素混凝土试件在室外环境无日照作用时,截面温度场基本呈均匀分布,试件截面温变曲线与环境温变规律一致,曲线大致平行。外圈混凝土的温度变化与气温变化基本同步, 越向核心靠近混凝土温度变化幅度越小, 核心混凝土的温度变化规律表现出明显的滞后性,钢管混凝土试件和素混凝土试件截面最大温差主要取决于太阳辐射和气温变化幅度。此外,试件在日照作用下,截面温度场呈现非均匀分布,阳面温度明显高于阴面温度,钢管混凝土试件和素混凝土试件截面温度场变化规律基本一致。

　　 (3)在本文试验研究的基础上,可对温变引起的钢管混凝土试件和结构的脱粘程度、温度应力及内力进行分析。